钢包下渣数值模拟研究

钢包下渣过程的数值模拟研究

蒋大伟1，胡永才1，陈义胜2，庞赟佶2，3

（1.东北特钢集团，辽宁大连116105；2.内蒙古科技大学，内蒙古包头014010；

3.大连理工大学，辽宁大连116024）

摘要：

根据流体力学中的VOF 法及ε?k 湍流模型的基本理论，实现了对110t 钢包内不同渣层厚度浇注过程的模拟计算。重点描述了钢水浇注过程中钢包内的流动及流场的分布状况，得出了不同渣层厚度时的浇注过程所需的下渣高度及最佳渣厚。

关键词：VOF 法；钢包下渣；渣层厚度；最佳渣厚

中图分类号：TF769.2文献标识码：A

Ladle Slag Process Numerical Simulation Research

JIANG Dawei 1，HU Yongcai 1，CHEN Yisheng 2，PANG Yunji 2，，

3（1.DongBei Special Steel Group ，Dalian 116105，China ；2.

2.Inner Inner Mongolia U niversity of S cience and T echnology ，Baotou 014010，China ；

3.3.Dalian

Dalian University of Technology ，Dalian 116024，China ）Abstract：According to the VOF method and ε?k turbulence model of the basic theory in the fluid

mechanics ，realize different slag layer thickness of the 110t ladle casting process simulation.The article mainly describes flow field distribution condition of the steel in the process of pouring ,it is concluded that the different slag layer thickness of casting process the slag height and best slag thickness.

Key words:VOF method;Laddle slag;Slag layer thickness,Best slag thickness

钢液由钢包流入连铸中间包或模铸中注管内，钢液液面降低至一定高度时，钢液与钢渣就会混出，流股的巨大冲击作用会大大降低钢水的纯净度，势必对钢锭或铸坯的质量产生影响。目前很多企业都采用了浇注过程的下渣检测技术，使钢锭或铸坯内部质量有了很大改善，但下渣检测准确程度有待提高。这里运用流体力学中VOF 法及ε?k 模型描述了大型材分公司110t 钢包内不同渣层厚度对钢液流动形态的影响。

1模型建立

1.1基本假设

钢包顶部钢液为自由表面；不考虑钢液温降对钢包内流动的影响；钢包壁面为固体壁面；空气、钢渣和钢水均为不可压缩流体。由于钢包锥度较小，忽略钢包壁面对包内流动形态的影响[1]

。1.2数学模型连续性方程()0=??i

i x u ρ；传输方程()

i i j eff i j i eff i i i

j i g x u x x u x x p x u u ρμμρ????????????+????????????+???=??；

ε?k 方程：()ρεσμμ?+??

??????????????+??=??G x k x x k u i k t i i ()k c G k c x x x u i t j i i 2

21ερεεσμμερε?+??????????????

?+??=??其中???

???????+????=i j j i j i t x u x u x u G μ、ερμμμμ2k c D t eff +=+=式中eff μ为有效粘度，钢包内的流动过程为湍流流动，采用由Launder 和Spalding 提出的ε?k 双方程模型，

式中出现的经验常数采用Launder 和Spalding 的推荐值[2，

3]，如下:44.11=c ，92.12=C ，09.0=μc ，0.1=k σ，3

.1=εσ渣-空气、钢-渣液面流动形态采用多相流模型中的VOF 方法进行计算。

1.3边界条件

针对东北特钢大型材分公司110t 钢包模型进行的模拟计算，相关参数见如表1。主要模拟钢包下渣过程，为加快计算速度，计算区域高度取1500mm 。空气入口取压力入口、出钢口取压力出口，重力是钢液流动驱动力取g=9.81m/s 2。网格划分采用结构化网格，共划分10665个单元；求解过程采用PISO 方法，时间步长为0.04s ，迭代过程中认为残差小于0.001时收敛。分别计算了渣层厚度为0mm 、50mm 、100mm 、150mm 、200mm 、250mm 、300mm 、350mm 和400mm 九种情况下的下渣临界高度。

表1钢包、钢液及渣相关参数

钢包参数(mm)

工况参数钢包内径

2.83×103钢液密度/(Kg/m 3)7.00×103钢包高度

4.96×103钢液粘度/(Pa·s) 6.30×10-3液面高度

3.40×103钢渣密度/(Kg/m 3) 3.00×103出钢口直径 6.00×101钢渣粘度/(Pa·s) 3.50×10-1

2计算结果

2.1钢包内钢渣液面的流动过程

钢包内钢液依靠重力作用，由出钢口流入中间包或中注管内。随着浇注过程的进行，包内钢水量越来越少，钢液面的高度逐渐下降，钢渣始终附着在钢液面上。共模拟了钢包内九种渣层厚度的流动形态，上述流动形态大致相同，故此只取钢渣厚度为100mm 的情况进行简要描述。图1为100mm 渣厚不同时刻流动形态图；浇注开始时，钢液面位置较高；随着浇注过程的进行钢液面逐渐下降，在远离出钢口上方钢渣逐渐稀薄，流向出钢口上方并聚集，出钢口处渣层越来越厚。当钢液面降低到一定程度时，出钢口上方产生漩涡，发生卷渣、钢渣混

出现象，钢液受到污染；最终钢液与渣大量混出直至结束。图2为100mm渣厚时的流场分布，与图1中各图一一对应；由重力作用钢液从出钢口流出，图中显示出钢口左侧钢液流速较快，出钢口右侧流速较慢。

注：图例被分成三部分，上部表示空气、中部为渣层、下部为钢液，图3与此一致

图1.100mm渣厚不同时刻流动形态图

图2.100mm渣厚流场分布

2.2下渣临界高度及最佳渣层厚度

图3为不同渣层厚度流动形态图。由图可知随着浇注的进行渣层厚度为50mm时，距离出钢口较远处的钢

渣逐渐稀薄，渣层出现分段现象使钢水裸露直接与空气接触，钢水容易二次氧化夹杂曾都，温降加快。钢渣厚度大于100mm时，钢渣能够很好的覆盖在钢液表面隔绝空气，且减少温降；因此渣厚一般应大于100mm。

通过模拟得出不同渣厚的下渣临界高度，依此算出了下渣时刻钢包内的钢水重量，如图4。从图中可知随着渣层厚度的增加，下渣高度也随之增加；但当渣层厚度较厚时，下渣高度增加不明显。渣层厚度由0mm即无渣至50mm时，下渣高度由90mm升至150mm相差较大，钢水相差达2.62t之多；但随渣层厚度的增加，下渣高度增加趋势较为缓慢；对于有渣时下渣高度大约在150~180mm之间，钢水重量大致为6.50~7.90t。对于生产来说刚包内剩余钢液越少越好，这样可以提高成材率，综合生产实际建议渣层厚度应小于200mm。

渣层厚度50mm渣层厚度100mm

渣层厚度150mm渣层厚度200mm

图3.不同渣层厚度流动形态图

图4.下渣高度及包内钢液重量示意图

3结论

描述了钢包浇注过程中包内钢液及渣的流动形态。钢包内渣层厚度最佳为100~200mm之间，这样既能保证

渣层隔绝空气、减少降温；又能保证较高钢水收得率。钢包内无渣与有渣下渣高度相差较大；渣层越厚下渣高度越高，开始下渣时包内钢水重量一般在6.50~7.90t之间。

参考文献

[1]陈义胜,冯磊，鲍文廷，等.双孔钢包底吹氩最佳吹气量探讨[J].冶金设备,2009,(9):18-21.

[2]陶文铨.数值传热学(第2版)[M].西安：西安交通大学出钢社，2001.

[3]贺友多.传输理论和计算[M].北京：冶金工业出版社，1999.